电场调控低浓度氢混合预混火焰的燃烧特性及减排机制研究

为应对氢能燃烧中NOx排放高与火焰稳定性差的难题，韩国研究团队通过电场辅助燃烧（EFAC）技术，系统探究了氢-丙烷混合火焰在电场作用下的流场动态、OH*化学发光及贫燃极限（LBO）变化。研究发现正电压可扩展火焰稳定区间并降低NOx排放指数（EINOx），为清洁燃烧技术提供新思路。

　　

在全球碳中和背景下，氢能作为零碳燃料备受关注，但其燃烧时的高反应活性导致氮氧化物（NO_x）排放激增和火焰闪回等问题，严重制约实际应用。传统解决方案如掺混烃类燃料或贫燃预混燃烧（LPC）虽能缓解问题，却面临火焰稳定性差、易发生贫燃熄火（LBO）等新挑战。韩国国立研究基金会（National Research Foundation of Korea）支持的研究团队在《Fuel Communications》发表论文，创新性地采用电场辅助燃烧（EFAC）技术，通过调控离子风效应，实现了氢混合火焰的高效稳定控制。

研究采用schlieren成像、OH*化学发光测量及排放分析等关键技术，系统考察了0-50%氢浓度范围内电场对丙烷-氢预混火焰的影响。实验设计涵盖不同电压极性（±10 kV）、当量比（0.7-1.3）及流量条件（5-7 L/min），通过对比无电场基准组，揭示了电场作用的动态机制。

光学观测揭示流场调控规律
通过高速摄影发现，正电压使火焰根部径向扩展，负电压则引发流场收缩。值得注意的是，火焰高度始终不受电场影响，印证了电场仅改变流体动力学而非化学反应速率的特性。

OH*化学发光指示反应强化
光谱分析显示，正电压使火焰根部OH*强度提升达30%，但该效应随氢浓度增加而减弱。结合离子风理论，证实H₃O⁺主导的离子迁移是强化燃料/氧化剂混合的关键。

贫燃极限扩展实现超低排放
突破性发现在于正电压可将LBO极限扩展15%，使系统在更贫燃条件下稳定运行。当量比0.8时，NO_x排放较传统燃烧降低40%，实现稳定与减排的双重优化。

电压极性决定排放特性
化学分析表明，正电压在化学计量条件下会小幅增加NO_x，但其带来的贫燃运行优势使实际EINOx显著降低。这种"先升后降"的排放曲线为EFAC工艺优化提供了明确方向。

该研究首次系统阐释了EFAC在氢混合燃烧中的多尺度作用机制：宏观上通过离子风调控流场结构，微观上影响活性基团分布，最终实现火焰稳定与减排的协同优化。相较于等离子体辅助燃烧，EFAC仅需0.1%的热功率输入，更具工程应用价值。研究团队特别指出，电极布局优化和高温耐久性将是下一步重点，这些发现为开发新一代氢能燃烧器提供了理论基石和技术路线。